電力電子裝置諧波的產(chǎn)生與補(bǔ)償

電力電子裝置諧波的產(chǎn)生與補(bǔ)償

0考慮無功功率補(bǔ)償和負(fù)載模電力電子裝置的廣泛應(yīng)用使電子儀器的波形變得靈活、方便，并提供了快速使用能源的手段。然而，由于電力電子設(shè)置的廣泛應(yīng)用，供電聲波的污染和低誤差問題日益嚴(yán)重，供電質(zhì)量惡化。因此，有效限制和補(bǔ)償無功率輻射是一個(gè)重要的研究方向。由于在含有諧波的情況下,無功功率的定義和諧波有密切的關(guān)系,諧波除本身的問題之外,也影響負(fù)載和電網(wǎng)的無功功率,影響功率因數(shù);產(chǎn)生諧波的裝置同時(shí)也大都是消耗基波無功功率的裝置;補(bǔ)償諧波的裝置通常也都是補(bǔ)償基波無功功率的裝置.因此,本文把諧波抑制和無功功率補(bǔ)償技術(shù)結(jié)合起來進(jìn)行探討.1無效率補(bǔ)償1.1動(dòng)態(tài)載荷的運(yùn)行傳統(tǒng)的無功功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置是同步調(diào)相機(jī),是專門用來產(chǎn)生無功功率的同步電機(jī).同步調(diào)相機(jī)是以一個(gè)接在交流電源上的空載同步電機(jī)為主的.隨直流干擾電流的不同,電機(jī)產(chǎn)生比電源電壓大或小的電壓Vg.當(dāng)Vg比電源電壓大時(shí),同步調(diào)相機(jī)過勵(lì)磁,產(chǎn)生無功功率.相反,當(dāng)Vg小于電源電壓時(shí),調(diào)相機(jī)低勵(lì)磁,吸收無功功率.不過,由于調(diào)相機(jī)的典型響應(yīng)時(shí)間為0.2S,響應(yīng)速度慢,在很多情況下已無法適應(yīng)快速無功功率控制的要求,它不適合使用在處理負(fù)載快速變化時(shí)的情況.此外由于它是旋轉(zhuǎn)電機(jī),損耗和噪聲都較大,運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜,70年代以來,同步調(diào)相機(jī)開始逐漸被并聯(lián)電容器和靜止型無功補(bǔ)償裝置所取代.1.2組合電容器補(bǔ)償無功功率無功補(bǔ)償電容器在國(guó)內(nèi)外均得到廣泛的應(yīng)用.其原理是通過并聯(lián)電容器使電壓與電流的相位差變小了,從而提高功率因數(shù).裝設(shè)并聯(lián)電容器補(bǔ)償無功功率的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)方便等,應(yīng)注意的是避免出現(xiàn)過補(bǔ)償?shù)那闆r.并聯(lián)電容器補(bǔ)償無功功率的主要缺點(diǎn)有:(1)電容器只能補(bǔ)償固定的無功功率,不能實(shí)現(xiàn)對(duì)無功功率的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償.(2)在系統(tǒng)中有諧波時(shí),有可能發(fā)生并聯(lián)諧振,使諧波放大,可能導(dǎo)致電容器的損壞,甚至破壞電網(wǎng)的正常運(yùn)行.(3)補(bǔ)償容量與供電電壓的平方成正比.1.3tsc與tcr組合使用時(shí)效果不同.靜止無功補(bǔ)償器裝置(SVC)主要有固定電容器加晶閘管控制電抗器(FC+TCR),晶閘管投切電容器(TSC)等類型.其重要特性是依靠調(diào)節(jié)TCR中晶閘管的觸發(fā)延遲角α,能連續(xù)調(diào)節(jié)補(bǔ)償裝置的無功功率.由于TSC只能分組投切,不能連續(xù)調(diào)節(jié)無功功率,它只有與TCR配合使用,才能實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償裝置整體無功功率的連續(xù)調(diào)節(jié).在TCR裝置中,固定電容器通常和電抗器串聯(lián)構(gòu)成諧波濾波器,以濾出TCR中的諧波.但SVC裝置為補(bǔ)償0~100%容量變化的無功功率,幾乎需要100%容量的電容器和超過100%容量的晶閘管控制電抗器,銅和鐵的消耗很大.近年來的發(fā)展趨勢(shì)是采用GTO構(gòu)成的自換向變流器,通常稱為靜止無功發(fā)生器(SVG),也有人稱為高級(jí)靜止無功補(bǔ)償器(ASVC),或靜止調(diào)相機(jī)(STATCON),它既可提供滯后的無功功率,又可提供超前的無功功率.1.3.1混合插裝器補(bǔ)償器的選擇TCR的單相基本結(jié)構(gòu)就是兩個(gè)反并聯(lián)的晶閘管與一個(gè)電抗器相串聯(lián),而三相多采用三角形聯(lián)接.通過控制系統(tǒng)不斷調(diào)節(jié)觸發(fā)延遲角α,從而不斷調(diào)節(jié)導(dǎo)通角δ,使TCR從其電壓——電流特性上的某一穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)轉(zhuǎn)移到另一穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn),達(dá)到補(bǔ)償無功功率的目的.單獨(dú)的TCR由于只能吸收感性的無功功率,往往需與并聯(lián)電容器配合使用.并聯(lián)上電容器以后,總的無功功率為TCR與并聯(lián)電容器無功功率抵消后的凈無功功率,因而可以將補(bǔ)償器的總體無功電流偏置到可吸收容性無功的范圍內(nèi).另外,并聯(lián)電容器串聯(lián)上小的調(diào)諧電抗器還可兼作濾波器,以吸收TCR產(chǎn)生的諧波.當(dāng)TCR與固定電容器配合使用時(shí),被稱為FC+TCR.其缺陷為:當(dāng)要求這種補(bǔ)償器的補(bǔ)償范圍能延伸到容性和感性無功功率兩個(gè)領(lǐng)域時(shí),電抗器的容量必須大于電容器的容量.而當(dāng)補(bǔ)償器工作在吸收很小的容性或感性無功功率的狀態(tài)時(shí),電容器和電抗器中實(shí)際上都已吸收了很大的無功功率,都有很大的電流流過,只是相互抵消而已.將并聯(lián)電容器的一部分或全部改為可以分組投切的,就可以使用容量相對(duì)較小的TCR,這樣的補(bǔ)償器稱為晶閘管控制電抗器+可投切電容器型的靜止補(bǔ)償器,或者稱為混合型靜止補(bǔ)償器.混合型靜止補(bǔ)償器中TCR的容量只需在對(duì)消那組固定電容的容性無功后能滿足對(duì)感性無功的要求即可,而不必像FC+TCR型補(bǔ)償器那樣要能在對(duì)消全部并聯(lián)電容器的容性無功后能滿足對(duì)感性無功的要求.另外,混合型靜止補(bǔ)償器TCR的容量還應(yīng)略大于每次電容切換時(shí)容性無功的變化,否則也會(huì)造成電壓——電流特性在切換處斷續(xù).混合型靜止補(bǔ)償器的主要問題是在控制中應(yīng)避免過于頻繁地投切電容器組,對(duì)于使用機(jī)械斷路器投切電容的混合型補(bǔ)償器更是如此.1.3.2動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償器tscTSC利用兩個(gè)反并聯(lián)晶閘管將電容器并入電網(wǎng)或從電網(wǎng)斷開,利用串聯(lián)的小電感抑制電容器投入電網(wǎng)時(shí)可能造成的沖擊電流.在實(shí)際工程中,一般將電容器分成幾組,每組都可由晶閘管投切.這樣,可根據(jù)電網(wǎng)的無功需求投切這些電容器,TSC實(shí)際上就是斷續(xù)可調(diào)的吸收容性無功功率的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償器.與TCR相比,TSC的缺點(diǎn)是不能連續(xù)調(diào)節(jié)無功功率,但它具有運(yùn)行時(shí)不產(chǎn)生諧波而且損耗較小的優(yōu)點(diǎn).1.3.3svd裝置的優(yōu)勢(shì)SVG的基本原理就是將自換相橋式電路通過電抗器或者直接并聯(lián)在電網(wǎng)上,適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的相位和幅值,或者直接控制其交流側(cè)電流,就可以使該電路吸收或者發(fā)出滿足要求的無功電流,實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)啬康?若控制方法得當(dāng),SVG在補(bǔ)償無功功率的同時(shí)還可以對(duì)諧波電流進(jìn)行補(bǔ)償.在穩(wěn)態(tài)情況下,SVG的直流側(cè)和交流側(cè)之間沒有有功功率交換,無功功率在三相之間流動(dòng),因此直流側(cè)只需要較小容量的電容即可.此外,SVG裝置用銅和鐵較少,且有優(yōu)良的補(bǔ)償特性,因此是新一代無功補(bǔ)償裝置的代表,有很大的發(fā)展前途.當(dāng)然,SVG地控制方法和控制系統(tǒng)顯然要比傳統(tǒng)SVC復(fù)雜,另外,SVG要使用數(shù)量較多的較大容量的全控型器件,其價(jià)格目前比SVC使用的普通晶閘管高得多.2波形補(bǔ)償2.1諧波補(bǔ)償u3000定頻方式LC濾波器是補(bǔ)償諧波的傳統(tǒng)方法,也是當(dāng)前補(bǔ)償諧波的最主要手段.其優(yōu)點(diǎn)是既可補(bǔ)償諧波,又可補(bǔ)償無功功率,而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單.這種方法的主要缺點(diǎn)是:(1)補(bǔ)償特性受電網(wǎng)阻抗和運(yùn)行狀態(tài)的影響,易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振,導(dǎo)致諧波放大,使LC濾波器過載甚至燒毀.(2)只能補(bǔ)償固定頻率的諧波,補(bǔ)償效果也不甚理想.2.2串聯(lián)型apf的特性及應(yīng)用有源電力濾波器是補(bǔ)償諧波的典型裝置.80年代以來,隨著新型電力半導(dǎo)體器件的出現(xiàn)、PWM技術(shù)的發(fā)展、以及基于瞬時(shí)無功功率理論的諧波電流瞬時(shí)檢測(cè)法的提出,有源濾波器得以迅速發(fā)展.有源電力濾波器能對(duì)變化的諧波進(jìn)行迅速的動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償,且補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響,因而受到相當(dāng)?shù)闹匾?電力有源濾波器的變流電路分為電壓型和電流型,目前實(shí)用的裝置90%以上為電壓型.從與補(bǔ)償對(duì)象的連接方式來看,電力有源濾波器可分為并聯(lián)型和串聯(lián)型.串聯(lián)型APF構(gòu)成的系統(tǒng)具有有源裝置容量小、運(yùn)行效率高以及對(duì)諧波電壓源類型的負(fù)荷有較好補(bǔ)償特性等優(yōu)點(diǎn),但卻存在絕緣強(qiáng)度高、難以適應(yīng)線路故障條件以及不能進(jìn)行無功功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)热秉c(diǎn),因此,其工程實(shí)用性受到限制.并聯(lián)型APF能對(duì)諧波和無功功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償,其補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響,是一種較好的補(bǔ)償裝置.并聯(lián)型中有單獨(dú)使用、LC濾波器混合使用及注入電路方式.目前并聯(lián)型占實(shí)用裝置的大多數(shù).但是,并聯(lián)型APF由于有源裝置容量相對(duì)較大,存在初期投資大、運(yùn)行效率低的缺點(diǎn).因此,在研究APF多功能化的同時(shí),人們也致力于使有源裝置容量降低的混合補(bǔ)償方案研究.顯然,將APF與無源濾波器并聯(lián)使用,合理分擔(dān)補(bǔ)償需求,可使APF容量減小.但由于并聯(lián)無源濾波器的影響,負(fù)荷的等效諧波阻抗將減小,當(dāng)其不滿足遠(yuǎn)大于電網(wǎng)的諧波阻抗條件時(shí),APF的補(bǔ)償特性將受電網(wǎng)阻抗的影響,而且APF的諧波補(bǔ)償電流還可能注入無源濾波器中.采用這種方案時(shí)需對(duì)APF和無源濾波器的設(shè)計(jì)進(jìn)行特殊考慮.并聯(lián)型APF容量的降低可從有源裝置承受的電壓與其輸出電流兩個(gè)方面考慮.混合型補(bǔ)償方案的基本原理就是將常規(guī)型APF上承受的基波電壓移去,使有源裝置只承受諧波電壓,從而可顯著降低有源裝置的容量.電路注入方式的APF方案也可以有效地降低有源裝置承受的電壓.從減小電流角度考慮,可采用GTO等大容量器件構(gòu)成的低頻逆變器和IGBT等高頻器件構(gòu)成的逆變器共用方案,以充分發(fā)揮不同器件的特點(diǎn).2.2.1諧波補(bǔ)償原理電力有源濾波最基本的構(gòu)成方式是PWM逆變器并聯(lián)在電網(wǎng)上,相當(dāng)于一個(gè)受控電流源,產(chǎn)生與負(fù)載諧波大小相同而方向相反的諧波電流,使得電源電流被補(bǔ)償為正弦.這種方式下,電源基波電壓全部加在逆變器上,因而裝置容量較大.這種方式的電力有源濾波器具有連續(xù)調(diào)節(jié)無功功率的功能,能在補(bǔ)償諧波的同時(shí)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償無功功率.2.2.2在合理范圍內(nèi),發(fā)揮諧波的作用LC濾波器若被用來與有源濾波器分擔(dān)補(bǔ)償相同次數(shù)的諧波,則可降低所需逆變器的容量,若用來補(bǔ)償較高次的諧波,則起到了補(bǔ)充有源濾波器補(bǔ)償性能的作用.在這種方式下,有源濾波器也可以對(duì)無功功率進(jìn)行調(diào)節(jié).2.2.3抑制于lc濾波器與電網(wǎng)保護(hù)方式之間的串聯(lián)振幅這種方式下,有源濾波器主要不是用來直接補(bǔ)償諧波,而是用來抑制LC濾波器與電網(wǎng)阻抗之間的并聯(lián)諧振,即所謂的諧波放大現(xiàn)象,以改善LC濾波器的諧波補(bǔ)償效果.其逆變器不承受基波電壓,因而逆變器的裝置容量大大減小.2.2.4apf受諧波電壓的計(jì)算注入式并聯(lián)APF將電感和電容作為逆變器的注入電路,利用電感和電容的諧振特性,使APF不承受或只承受較小的基波電壓,從而減小逆變器容量、縮小體積、降低成本.理想情況下,APF只承受諧波電壓.2.2.5電源電壓源采用串聯(lián)型同源濾波器,使負(fù)載端壓為相關(guān)系單獨(dú)使用的串聯(lián)型有源濾波器通過變壓器串聯(lián)在電源和負(fù)載之間,相當(dāng)于一個(gè)受控電壓源,可以消除電源電壓可能存在的畸變,維持負(fù)載端壓為正弦.需指出的是,并聯(lián)型有源濾波器一般適用于感性負(fù)載.對(duì)容性負(fù)載的諧波源,可采用單獨(dú)使用方式的串聯(lián)型有源濾波器,通過控制有源濾波器的補(bǔ)償電壓來改變負(fù)載端的電壓,從而使電源電流為正弦.2.2.6連接源濾波與lc濾波器混合使用與LC濾波器混合使用的串聯(lián)型電力有源濾波器,由于其所需逆變器的裝置容量很小,一般不超過負(fù)載容量的3%,因而頗受關(guān)注.2.3需諧波與無功功率綜合補(bǔ)償諧波補(bǔ)償要求快速的響應(yīng)特性,采用IGBT等高頻器件構(gòu)成的逆變器較為合適,但高頻逆變器功耗大,單個(gè)器件容量小,補(bǔ)償大容量的無功功率勢(shì)必造成成本高、運(yùn)行效率低.而較低頻率的器件如GTO等,單個(gè)器件容量大,較易構(gòu)成大容量補(bǔ)償裝置,且低的開關(guān)頻率可使損耗降低.因此,在需諧波和無功功率綜合補(bǔ)償時(shí),可將兩者結(jié)合起來,以充分發(fā)揮不同器件所長(zhǎng).2.3.1脈動(dòng)變壓器改造諧波與無功功率的解耦補(bǔ)償系統(tǒng)由一個(gè)多重化逆變器和一個(gè)PWM逆變器組成.多重化逆變器用于基波無功功率的補(bǔ)償,可用若干個(gè)6脈動(dòng)逆變器組成,以得到較好的輸出波形,提高裝置容量,滿足大容量無功功率補(bǔ)償?shù)男枨?當(dāng)輸出電壓與公共連接點(diǎn)電壓同步同相位,并且輸出電壓高于公共連接點(diǎn)電壓時(shí),多重化逆變器輸出超前的補(bǔ)償電流;反之,多重逆變器輸出滯后的無功電流.通過對(duì)電壓相角差的控制可調(diào)節(jié)電容電壓、逆變器輸出電壓和補(bǔ)償無功功率的大小.2.3.2基于信號(hào)轉(zhuǎn)換的信號(hào)補(bǔ)償采用雙PWM電壓源逆變器進(jìn)行諧波和無功功率補(bǔ)償,可顯著改善有源濾波器的補(bǔ)償性能.該方式與以往所提出的采用多個(gè)PWM逆變器并聯(lián)補(bǔ)償方式的區(qū)別在于PWM逆變器工作于不同的開關(guān)頻率,可對(duì)負(fù)荷中的特定諧波電流進(jìn)行補(bǔ)償.3多重化技術(shù)設(shè)計(jì)與補(bǔ)償無功功率和諧波的方法相比,更為積極的方法是開發(fā)不產(chǎn)生諧波且功率因數(shù)為1的新型變流器,即單位功率因數(shù)變流器(UnityPowerFactorConverter).大容量變流器提高功率因數(shù)和減少諧波的主要方法是采用多重化技術(shù).如果要求總功率因數(shù)為1,甚至提供超前的無功功率,則一般須使用自換相變流器.對(duì)電流型變流器,多重化就是將方波電流疊加,使得輸入電流為接近正弦的階梯波,或提高位移因數(shù).其聯(lián)結(jié)方式有串聯(lián)和并聯(lián)多重化,而控制方式則有移相、順序控制、非對(duì)稱控制和滯后超前控制多重化等幾種形式.對(duì)電壓型變流器,必須用連接電感和交流電源相連,大都用移相多重化,將方波電壓疊加,使其在電網(wǎng)側(cè)產(chǎn)生接近正弦的階梯波電壓,且與電源電壓保持適當(dāng)?shù)南辔魂P(guān)系,從而使輸入電流為與電源電壓同相位的正弦波.如果需要,可以控制輸入電流的相位,使變流器能對(duì)無功功率進(jìn)行補(bǔ)償.多重化技術(shù)若配合PWM控制技術(shù),可獲得更為理想的效果.中等容量的單位功率因數(shù)變流器主要采用PWM整流技術(shù),一般需要使用自關(guān)斷器件.對(duì)電流型整流器,可直接對(duì)各個(gè)電力半導(dǎo)體器件的通斷進(jìn)行PWM調(diào)制,使輸入電流為接近正弦且與電源電壓同相的PWM波形,從而得到接近1的功率因數(shù).對(duì)電壓型整流器,需將整流器通過電抗器與電源相連.對(duì)此有兩類控制方法,一是直接對(duì)整流器進(jìn)行PWM調(diào)制,使其輸入端電壓為接近正弦的PWM波形,并保持一定的相位,從而使通過電抗器輸入的電流為與電源電壓相同的正弦波;二是檢測(cè)輸入電流,通過電流反饋信號(hào)對(duì)整流器進(jìn)行PWM調(diào)制,達(dá)到控制輸入電流波形的相位的目的.PWM整流器配合PWM逆變器可構(gòu)成理想的四象限交流調(diào)速用變流器,亦稱為雙PWM變流器.變流器不但輸出電壓電流均為正弦波,輸入電流也為正弦波,且功率因數(shù)為1.因其能量轉(zhuǎn)換效率高,均可實(shí)現(xiàn)能量的雙向傳送(再生制動(dòng)).如此優(yōu)越的性能,代表了這一領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的主